電動汽車常用驅(qū)動電機(jī)類型的特性及選型分析

林仕供

（福建尤迪電機(jī)制造有限公司，福建 福安 355000）

電動汽車常用驅(qū)動電機(jī)類型的特性及選型分析

林仕供

（福建尤迪電機(jī)制造有限公司，福建 福安 355000）

提出了新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的幾種常用類型，分析了它們的優(yōu)缺點和適用性，并具側(cè)重性介紹開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)展的可行性。

交流異步電機(jī)；正弦波永磁同步電機(jī)；方波永磁無刷直流電機(jī)；開關(guān)磁阻電機(jī)

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-46-03

引言

近代汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的100年是人類文明飛躍的100年，它促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。與此同時，汽車帶來的能源和環(huán)境壓力也迫使人類重新考慮未來汽車的發(fā)展方向。因此，新能源汽車的發(fā)展也成為全球汽車廠商討論的焦點，發(fā)展新能源汽車至少有以下兩個重要的意義：其一，可以疏解現(xiàn)在的能源和環(huán)境的壓力；其二，新能源汽車集電力電子、機(jī)械、信息、智能等高新技術(shù)于一體，被譽(yù)為21世紀(jì)改變?nèi)祟惿畹氖罂萍贾住Ｋ孕履茉雌嚨陌l(fā)展也必將帶動高新技術(shù)前所未有的新一輪技術(shù)革命。

1、電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特點

新能源汽車研發(fā)的主要內(nèi)容包括控制策略、儲能設(shè)備、驅(qū)動電源、驅(qū)動電機(jī)等，本文將就驅(qū)動電機(jī)的特性和研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化策略做些探討。電動汽車所用驅(qū)動電機(jī)需要頻繁的啟動和停機(jī)，并要承受較大的加速度或減速度，而且要求低速大轉(zhuǎn)矩爬坡，高速小轉(zhuǎn)矩運(yùn)行且運(yùn)行速度范圍寬。所以其特性主要表現(xiàn)在：功率密度大、效率高、能提供大倍率額定轉(zhuǎn)矩、可控性好、穩(wěn)態(tài)精度高、耐高溫高濕環(huán)境、耐振動等。目前交流異步電機(jī)、正弦波永磁同步電機(jī)、方波永磁無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等在電動汽車上均有不同程度的應(yīng)用。

2、交流異步電機(jī)

交流異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成。對定子繞組通三相交流電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并切割轉(zhuǎn)子，獲得轉(zhuǎn)矩。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

交流異步電機(jī)的主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、電機(jī)本身運(yùn)行可靠，低轉(zhuǎn)矩脈動，低噪聲，不需要

位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。

交流異步電機(jī)的主要缺點有：采用矢量控制的電動汽車感應(yīng)電動機(jī)在輕載及有限的恒功率工作區(qū)域運(yùn)行時效率較低、控制復(fù)雜、能量回饋性能差。相對永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低。

鑒于以上綜合分析，同時由于異步電機(jī)矢量控制技術(shù)和調(diào)速技術(shù)相對比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在新能源汽車領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，因此被較早應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)。交流異步電機(jī)具備相對較高的性價比，目前仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。尤其在歐美國家應(yīng)用廣泛。

3、正弦波永磁同步電機(jī)

永磁同步電動機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，主要由定子、永久磁鋼轉(zhuǎn)子、位置傳感器、電子換向電路等組成。通常所說的永磁同步電動機(jī)是正弦波永磁同步電動機(jī)，同一般同步電動機(jī)一樣，其定子繞組通常采用三相對稱的正弦分布繞組，或轉(zhuǎn)子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當(dāng)電動機(jī)恒速運(yùn)行時，定子三相繞組所感應(yīng)的電勢則為正弦波。

正弦波永磁同步電機(jī)的主要優(yōu)點有：永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競爭者，已在國內(nèi)外多種電動車輛中獲得應(yīng)用。用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步電動機(jī)的勵磁繞組，永磁同步電動機(jī)就能去掉傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)以及勵磁繞組的銅損。永磁同步電動機(jī)由于采用正弦交流電及無刷結(jié)構(gòu)，也被稱為永磁無刷交流電動機(jī)或正弦永磁無刷電動機(jī)。由于這種電動機(jī)實質(zhì)上是同步電動機(jī)，它們不經(jīng)電磁轉(zhuǎn)換就可以通過正弦交流電或脈寬調(diào)制方式使其運(yùn)行。當(dāng)永磁體嵌在轉(zhuǎn)子表面時，由于永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣相似，因而這種電動機(jī)的運(yùn)行特性與非凸極同步電動機(jī)一樣。如果把永磁體埋入轉(zhuǎn)子的磁路中，凸極就會產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩，從而使電動機(jī)的恒功率區(qū)域有更寬的轉(zhuǎn)速范圍。如果有意利用轉(zhuǎn)子的凸極，而去掉勵磁繞組或永磁體，就可得到同步磁阻電動機(jī)，其結(jié)果簡單，成本低廉。和交流異步電機(jī)一樣，永磁同步電動機(jī)通常也采用矢量控制方法以滿足電動汽車電動機(jī)驅(qū)動的高性能要求。

正弦波永磁同步電機(jī)的主要缺點有：永磁體的抗振、耐溫性能較差，永磁同步電動機(jī)所用稀土永磁材料成本較貴。

由于正弦波永磁同步電機(jī)本身的高能量密度與高效率，它在新能源汽車的應(yīng)用領(lǐng)域與交流異步電機(jī)相比有較大的競爭優(yōu)勢。近年來在電機(jī)工作者的推動下，永磁同步電機(jī)得到了較快的發(fā)展，且有逐步取代最常用的交流異步電機(jī)之勢，是一種很有發(fā)展前景的節(jié)能電機(jī)。

4、方波永磁無刷直流電機(jī)

通過改變永磁直流電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的位置，就可得到永磁無刷直流電機(jī)。這種電機(jī)最明顯的好處就是去掉了電刷，從而避免了由電刷而引起的許多問題。另一個優(yōu)點是能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，因為它的方波電流和磁場是垂直的。而且，這種無刷結(jié)構(gòu)使電樞繞組具有更代表性的區(qū)域。由于通過整個結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)有了改善，電負(fù)荷的增加可產(chǎn)生更高的功率密度。

方波永磁無刷直流電機(jī)的主要優(yōu)點有：電機(jī)外特性好，非常符合電動車輛的負(fù)載特性，尤其是電機(jī)具有可貴的低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足車輛的加速要求；速度范圍寬，電機(jī)可以在低中高大速度范圍內(nèi)運(yùn)行，而有刷電機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，電機(jī)只能在中低速下運(yùn)行；電機(jī)效率高，尤其是在輕載車況下，電機(jī)仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的；過載能力強(qiáng)，這種電機(jī)比Y系列電動機(jī)可提高過載能力2倍以上，滿足車輛的突起堵轉(zhuǎn)需要；再生制動效果好，因電機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機(jī)械剎車負(fù)擔(dān)；電機(jī)體積小、重量輕、比功率大、可有效地減輕重量、節(jié)省空間；電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高；電機(jī)控制系統(tǒng)比異步電機(jī)簡單。

方波永磁無刷直流電機(jī)的主要缺點有：電機(jī)本體要比交流電機(jī)復(fù)雜、電機(jī)控制器比有刷直流電機(jī)復(fù)雜。

目前此種電機(jī)主要應(yīng)用于小型轎車。

5、開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的機(jī)電一體化電動機(jī)，其主要特點是電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)行，并且驅(qū)動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制。這些特點使開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運(yùn)行，是電動車輛中極具有潛力的機(jī)種。

開關(guān)磁阻電機(jī)的主要優(yōu)點有：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動環(huán)境；損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升；轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，從而可最大限度簡化功率變換器，降低系統(tǒng)成本；功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高；起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應(yīng)電動機(jī)在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象；調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性；在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率；能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動能力。

開關(guān)磁阻電機(jī)的主要缺點有：由于其磁極端部的嚴(yán)重磁飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，要求非常精準(zhǔn)，使其設(shè)計和控制非常困難；轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性。

在驅(qū)動電機(jī)的選用方面，歐美國家趨向于選用交流異步電機(jī)，日本趨向于選用永磁電機(jī)。而永磁電機(jī)的永磁材料是稀有資源，價格昂貴，是一種不可逆材料，和石油一樣，屬于不可回收的燃燒性資源，日本現(xiàn)在也在改變策略，尋求更好的汽車驅(qū)動電機(jī)新方案，如交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，其中開關(guān)磁阻電機(jī)的有效材料最小，如銅材和鋼材，沒有交流異步電機(jī)的鋁籠條，所以現(xiàn)階段很多廠家又重新回到開關(guān)磁阻電機(jī)上的研發(fā)上，并改進(jìn)電機(jī)性能，克服開關(guān)磁阻電機(jī)不良的低速脈動現(xiàn)象。

6、開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)

開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)屬于將開關(guān)磁阻電機(jī)原理運(yùn)用于輪轂電機(jī)領(lǐng)域，它直接安裝于汽車輪轂上，分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)直接用電機(jī)的外轉(zhuǎn)子驅(qū)動汽車輪子，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)需經(jīng)行星減速齒輪轉(zhuǎn)換成外圓驅(qū)動汽車輪子。

研發(fā)開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)一般要解決如下的問題：克服開關(guān)磁阻低速脈動的現(xiàn)象，主要是通過改變電機(jī)本體（如雙凸極形狀的變化）和改善控制器（如輸出波形和控制策略）來完成的，可以通過多步換相來改善驅(qū)動電源的連續(xù)性；增加系統(tǒng)控制器的可靠性以適應(yīng)車況要求，采用備用控制系統(tǒng)方案，稱為雙余度控制系統(tǒng)；簡化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，內(nèi)置線圈作為傳感器，減小因安裝位置傳感器的軸向長度。

開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)用外轉(zhuǎn)子來直接驅(qū)動，可大大提高系統(tǒng)效率和提高系統(tǒng)的可靠性。

7、電機(jī)類型選擇概述

電動汽車驅(qū)動電機(jī)選型的關(guān)鍵原則是電動機(jī)的機(jī)械特性。以上所介紹的各種電機(jī)都可以用T-n和P-n曲線來表示，作為選型的參考和依據(jù)。同時參考電動車的驅(qū)動系統(tǒng)額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定功率和額定轉(zhuǎn)矩的需求，綜合考慮所選取電機(jī)的類型。每種電機(jī)都有它一定的適用性，還應(yīng)從控制策略、使用車型、電機(jī)的材料來源和性價比等多個角度來理解和考慮電機(jī)類型的選用。沒有絕對性，以輕便、可靠、節(jié)能為原則，以性價比為導(dǎo)向，以容易實現(xiàn)智能化控制為終極目標(biāo)，揚(yáng)長避短，不宜盲目模仿。現(xiàn)在各種類型的驅(qū)動電機(jī)的生產(chǎn)都在國內(nèi)外并存，并且顯示各自的優(yōu)越性。

[1] 羅建武.開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究【D】。華中科技大學(xué)，2006.

[2] 謝建秋.輪轂電機(jī)電動汽車控制系統(tǒng)技術(shù)方案探討。南昌摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，2008.

Characteristics and selection of motor electric vehicle used to drive

Lin Shigong
（Fujian UDE Motor Manufacturing Co., Ltd., Fujian Fuan 355000）

Several commonly used types of new energy vehicles drive motor, analyzes the advantages and disadvantages and the applicability of them, with emphasis introduced the feasibility of switched reluctance motor development.

AC asynchronous motor；Permanent magnet synchronous motor；Fang Boyong magnet brushless DC motor；Switched reluctance motor

U463.6

A

1671-7988(2014)12-46-03

林仕供，高級工程師，就職于福建尤迪電機(jī)制造有限公司，主要從事電機(jī)設(shè)計與技術(shù)管理。